ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Электрохимический метод получения тяжёлой воды и изотопов водорода из "Изотопы Свойства, получение, применение Том 1" Эту реакцию проводят при повышенных температурах (400 К на рутениевом катализаторе — рутений, нанесённый на А12О3). Осуществление этой реакции позволяет избежать изотопного разбавления и получать высококонцентрированный продукт, содержание в котором выше девяносто девяти атомных процентов. Если в установке ректификации нет реактора изотопного обмена, то концентрация в продукте не превышает 90-91 ат. %. Действующая установка в Лос-Аламосе (ЕАЗЬ) производит в двухступенчатом каскаде продукт с концентрацией 91,1 ат.% (производительность — 2,2 моля СО в сутки). Первая ступень этой установки состоит из шести параллельно работающих колонн (диаметр 50 мм, высота 100 м, ВЭТС 70 мм). Вторая ступень содержит одну колонну. Продукт второй колонны (содержание С 91,1 ат.%) направляется в реактор для осуществления реакции (6.9.9), а образовавшаяся после реакции смесь поступает в небольшую колонну (общая высота 51 м), которая производит продукт в количестве 1,7 молей в сутки с концентрацией С равной 99,1 ат.% и отвальный поток (0,8 молей в сутки, концентрация С 45 ат.%), который возвращается во вторую ступень установки ректификации. [c.277] Разделение изотопов бора методом ректификации трифторида бора было реализовано в ряде стран. В Англии работал двухступенчатый каскад, который производил 25 кг/год бора с концентрацией 95 ат.% В. Общая высота колонн составляла 35 м, диаметр колонны первой ступени 56 мм, второй ступени 44 мм. [c.277] В СССР успешно эксплуатировался одноступенчатый каскад, производящий 20-25 кг бора с концентрацией 85 ат.% B. Высота колонны 50 м, диаметр 57 мм, в качестве насадки использовались спирали призматической формы с размерами элемента 2,6 х 2,7 х 0,2 мм. Величина ВЭТС около 6 см. Ректификация ВЕз была использована также для получения В с концентрацией 99,5 ат. %. [c.277] В настоящее время электрохимический метод разделения изотопов водорода не является основным промышленным методом получения тяжёлой воды, тем не менее, есть ряд успехов в этой области, которые в будущем могут сделать его одним из конкурентоспособных. [c.279] Наблюдаемое разделение изотопов можно объяснить действием следующих факторов. [c.279] Принципиальная схема воднощелочного электролиза и процессов, происходящих при электролизе в щелочных средах, представлена на рис. 6.10.1. [c.280] Исходя из выражения (6.10.15) в случае диффузии через электролит при электролизе для протия и дейтерия, коэффициент разделения должен быть на уровне 1,4. На практике же наблюдаются несравненно более высокие значения а, в диапазоне примерно от 2,5 до 15 и выше. Отсюда можно сделать вывод, что скорость диффузии ионов или молекул воды через электролит не является основным фактором, определяющим эффект разделения. [c.280] Здесь величины с индексом О относятся к дейтерию. Отсюда следует, что для получения больших коэффициентов разделения необходимым является смещение процесса электролиза в максимально неравновесные условия, что, в частности, достигается при больших плотностях тока, пониженных температурах и при использовании электродных материалов, не катализирующих реакцию изотопного обмена. [c.281] Как следует из экспериментальных данных [3, 21-25], коэффициент разделения зависит от материала и состояния поверхности катода, его потенциала, состава электролита, наличия добавок, плотности тока (рис. 6.10.2), температуры, давления и некоторых других факторов. [c.281] Увеличение температуры на 1 °С для большинства катодных материалов приводит к понижению а примерно на 1 %. [c.281] В настоящее время для электролиза воды и разделения изотопов водорода используются фильтрпрессные воднощелочные электролизёры с биполярным включением электродов, при этом значительная часть энергозатрат приходится на электрохимическое выделение кислорода, который для задачи концентрирования дейтерия и трития не является необходимым продуктом. Поэтому для избежания потерь энергии, расходуемой на выделение кислорода, можно устранить эту стадию. Для этого можно использовать электроды, проницаемые для водорода, но не проницаемые для щёлочи и воды, например, при использовании деполяризующего анода. [c.282] При электролизе воды водород и кислород практически всегда получаются влажными. Концентрация дейтерия во влажных газах, отводимых от электролизёра, всегда выше, чем в сухих, так как концентрация тяжёлого изотопа водорода в парах воды, насыщающих газы, близка к концентрации дейтерия в электролите. В зависимости от содержания паров воды в газах, отходящих из электролизёра, величина эффективного коэффициента разделения изотопов водорода скэф снижается по сравнению с его величиной, получаемой из выражения (6.10.13). [c.282] Для предотвращения значительного снижения эф необходимо выходящие из электролизёра газы подвергать охлаждению, что ведёт к некоторому дополнительному увеличению энергозатрат. [c.282] Авторы выражают благодарность профессорам РХТУ им. Д.И. Менделеева Б.М. Андрееву, М.Б. Розенкевичу, Ю.А. Сахаровскому за помощь при составлении таблицы. [c.283] Наиболее практичным на сегодняшний день является комбинирование методов. Так на стадии начального концентрирования целесообразно использовать какой-нибудь противоточный метод, например, каталитический изотопный обмен водорода с водой, а на стадии конечного концентрирования — процесс электролизного разделения. [c.283] В ходе работы исследовались катоды из разного материала. Наибольшее значение коэффициента разделения а = 7,9) было получено на железном катоде при плотности тока 84 мА/см (см. табл. 6.10.5). [c.283] Ае = ев - ен составило 7,2 кДж/моль. Полученная температурная зависимость коэффициента разделения, описываемая уравнением (6.10.20), представлена на рис. 6.10.3. [c.284] Одновременно электролизёры с ТПЭ имеют относительно низкие значения напряжения на электродах — параметра, характеризующего энергозатраты, которые вносят основной вклад в стоимость продукции. При температуре 95 °С и плотности тока 1 А/см напряжение на ячейке составляет 1,78 В расход электроэнергии — 4,3 кВт ч на 1 м Н2 при нормальных условиях. В электролизёрах, работающих под давлением 30-40 атм при 120 °С, напряжение на ячейке при г = 1 А/см составляет всего 1,60-1,65 В, что близко к термонейтральному потенциалу (1,56 при 35 атм и 120 °С). Расход энергии снижается до 3,85 кВт ч. Процессы, происходящие при электролизе с ТПЭ, и его принципиальная схема даны на рис. 6.10.4. [c.285] Отсутствие раствора электролита, использование воды с удельным сопротивлением 1 МОм см и низкая газопроницаемость мембраны из ТПЭ обеспечивают практически 100% чистоту водорода и чистоту кислорода более 99,5% [27]. По ряду свойств мембрана близка к тефлону, но в тоже время набухшая в воде мембрана эквивалентна 10-12% серной кислоте. На величину суммарного изотопного эффекта определённое влияние оказывает селективность мембраны, электрическое сопротивление которой в ВзО примерно на 20% выше, чем в Н2О. [c.285] В работах [13, 14] получены зависимости коэффициента разделения от плотности тока для систем Н-О и Н-Т, представленные на рис. 6.10.5 и рис. 6.10.6. [c.286] Вернуться к основной статье